凍土空心圓柱儀的研發(fā)與應用

1、本文作者首先對責編老師、外審老師以及主編老師在審理本文時的辛勤付出表示誠摯的感謝。在此我們對外審老師的所提的問題和所給的意見進行了認真的思考與回答，并在文中進行了相應的修改，同時對文中存在的語序、語病、用詞不當和表達不清楚的地方也進行了相應的修改，均用紅色的字體標出。下面是對外審老師的所提的問題和所給的意見的回答。編委意見1、 土體正應力與剪應力耦合的試驗可用空心圓柱儀來實現(xiàn)的考慮是正確的。這在混凝土材料的 相關曲線試驗中已有成功應用。2、 存在凍土的國家不止中國，俄羅斯等許多國家都存在凍土問題，國外凍土相關曲線是怎么研究的，應有論述。答：現(xiàn)階段國內外關于凍土強度理論及本構模型的建立大都是通過

2、擬合單軸、三軸壓縮和等比加載等簡單應力狀態(tài)及應力路徑下的試驗結果得到的，比如動三軸儀只能在試樣 45 °斜面上模擬地震水平向剪切作用；壓縮強度試驗儀只能通過施加軸向荷載來獲取凍土的單向壓縮強度，都無法開展實際工程中涉及主應力旋轉和多向應力等復雜應力狀態(tài)下土體的力學性質研究2-5 。具體見前言部分第一段。3、 土體空心圓柱壁厚取值尚應論證，以避免擾動影響。Sayao和 Vaid13 指出合適的試樣尺寸將會在很答：空心圓柱尺寸的選取是借鑒了未凍土空心圓柱試樣的尺寸，大程度上減緩應力分布的不均勻性和加載方式不同造成端部效應，并且認為試樣的壁厚、內外徑之比、高徑比滿足下列條件時試樣內的應力狀

3、態(tài)比較均勻。1）壁厚： = rori =20 26 mm2）內外半徑比：0.65ri 0.82ro3）高度： 1.8H2.22ro此外，我們利用自主研發(fā)的空心圓柱制樣裝置制備重塑試樣時，整個過程中人為干涉的因素很少，對土樣擾動影響很低4、建議給出空心圓柱儀的加工圖，以便把握。同時論文只論述創(chuàng)新之處即可，至于其他功能性的常識，可一帶而過，適應壓縮至 6 頁以內。答：首先，凍土空心圓柱儀與普通的空心圓柱儀相比最大的不同在于加載能力的提高、傳感器的量程擴大、具備控溫能力，其他方面例如控制器，數(shù)據的采集系統(tǒng)等與普通的空心圓柱儀類似，因此便不再贅述，本文主要介紹了凍土空心圓柱儀的控溫能力、控溫原理和控溫

4、結果，加載方式，傳感器的量程和精度，最后用兩組試驗證明的儀器的工作能力。至于凍土空心圓柱儀的加工圖，筆者已經將主要的降溫原理圖給出，可以說明具體的降溫過程，其他方面的加工細節(jié)圖為廠商所有，就不便放入文中。其次，應審稿專家的意見，筆者已將文章的主體部分壓縮至參考文獻6頁。1 SAYAO A, VAID Y P. A critical assessment of stress Non-uniformities in hollow cylinder test specimensJ.Soils and Foundations,1991,31(1):60-72.2 Haynes F D , Karali

5、us J. A. Karafut J.Strain rate effect on the strength of frozen SiltR.USA Cold Regions Research and Engineering3 PARAMESWARAN V R, JONES S J.Triaxial testing of frozen sandJ.Journal of Glaciology,1981,27(95):147 155.4 GREGORY D R, GERMAINE J T, LADD C C.Triaxial testing of frozen sand: equipment and

6、 example resultsJ.Journal of Cold Regions Engineering,2003, 17(3):90-118.5 崔托維奇 H A. 凍土力學 M. 張長慶 ,朱元林 ,譯 .北京 :科學出版社 ,1985.第一審稿人專家審稿意見：本文介紹了凍土空心圓柱儀的研發(fā)和應用，該儀器的研發(fā)有很大創(chuàng)新，但論文存在以下問題：1該儀器與常規(guī)空心圓柱儀的重要區(qū)別在降溫的實現(xiàn)和控制，論文介紹了內、外壓力用硅油降溫，試樣部分用工業(yè)酒精作為冷媒進行冷浴。但這兩種降溫，冷卻方法的效果如何，文中沒有給出具體的實驗數(shù)據予以說明，這是論文的一大缺陷，建議詳細介紹冷卻降溫步驟，降溫效果，特

7、別是長時間的溫度控制情況。答：根據審稿老師提出“建議詳細介紹降溫步驟，降溫效果，特別是長時間的溫度控制情況”的意見，本文進行了如下修改：（ 1）增加了降溫原理詳圖，如圖2 所示，說明了降溫具體的過程，詳細內容見1.4 小節(jié)（ 2）給出了在 -10， -15和 -20儀器的降溫過程曲線，并且均恒溫超過15 小時，具體如圖3，圖 4 和圖 5，結果顯示試樣的溫度梯度小于±5°0C.，滿足現(xiàn)階段試驗的要求 .詳細見 4.1 節(jié)。2位移傳感器和力傳感器都有很高的溫敏性，本儀器傳感器的溫敏性如何也應介紹，如果這個問題不解決，即便可以控制試樣溫度，測得的實驗數(shù)據也是不準確的。答： FH

8、CA 的軸向、扭轉位移傳感器和力傳感器均安裝在壓力室的頂部上端，內外圍壓、反壓位移傳感器與力的傳感器也都安裝在相應控制面板的后側，遠離壓力室的主體部分，位移與力的傳感器處于常溫的環(huán)境中，溫度的波動很小，對試驗結果的影響可以忽略。3論文給出的復雜應力路徑試驗不具代表性，特別是試驗2，主應力軸循環(huán)旋轉試驗，本儀器的軸向單調加載頻率可達 20Hz，扭剪加載頻率可達10Hz ， 軸向、徑向雙向耦合加載頻率2Hz，和圍壓的耦合頻率也是2Hz，但試驗只給出 1Hz 的試驗結果，對本儀器的動荷載加載頻率沒有說服力。答：文章中之所以設計1Hz 的試驗方案，目的是為了驗證儀器的動態(tài)加載能力，針對審稿專家提出的意

9、見，筆者又重新布置了一組在-10條件下軸力、 扭矩、內外圍壓四者耦合，頻率為 2Hz 的動態(tài)試驗， 具體試驗結果如圖9， 10， 11， 12， 13 所示，試驗結果表明該儀器的加載性能穩(wěn)定，可以進行主應力軸旋轉的動態(tài)試驗，對本儀器的28，動荷載加載頻率具有一定的說服力。4論文第三部分3.2 部分試樣尺寸的確定上與一般空心圓柱試樣一樣，不具先進性和代表性，這部分應該結合凍土的特點進行闡述。答：關于凍土空心試樣尺寸的選取問題，本文借鑒了很多未凍土空心圓柱試樣的尺寸，一方面是由于凍土中沒有任何參考資料， 而未凍土在此方向的研究比較成熟，也取得了相應的進展，比如研究了不同規(guī)格試樣的端部效應、尺寸效應

10、等，具有一定的參考價值。另一方面是在現(xiàn)階段很多凍土實心試樣試驗中，所采用試樣尺寸都是基于未凍土試樣尺寸的選取標準。譬如，凍土實心試樣尺寸一般為D× H=61.8mm × 125mm，而大部分未凍土試樣的尺寸也是 D× H=61.8mm × 125mm，同樣也參考了未凍土試樣的尺寸。綜合考慮試驗的可操作性以及目前相關設備的使用經驗，最終選取的空心圓柱試樣尺寸與一般空心圓柱試樣一樣。第二審稿人專家審稿意見：1. 凍土空心圓柱儀的特色是溫度可控，因此在 1.4 節(jié)中最好補充儀器照片，特別是關鍵的溫控部分，能有詳圖指示冷卻液進出內外壓力室的循環(huán)過程。答：應審稿老

11、師的意見，文章中添加了控溫部分的循環(huán)原理示意圖，具體如圖2 所示?？販氐脑硎窃O置好壓力室中的目標溫度后開啟冷浴，冷浴內部液體的溫度開始降低，液體在壓力泵和抽吸泵的聯(lián)合作用下流入壓力室內雙螺線形盤繞的紫銅管1 和 U 形的紫銅管2（如圖 2 所示），其中一根雙螺旋管中的冷液順時針循環(huán)，另一根逆時針循環(huán)。冷液的循環(huán)流動開始對內外壓力腔的硅油進行降溫，與此同時，內、外壓力室內用于反饋的溫度探頭測量硅油的溫度并反饋給冷浴，冷浴將反饋的溫度數(shù)值與設置的目標溫度進行對比，自動調節(jié)冷浴的降溫速率，當溫度探頭反饋的溫度接近預設的目標溫度值時，冷浴通過調節(jié)冷浴內部液體的溫度，使得被降溫的硅油的溫度始終保持在設

12、定的目標溫度值并保持不變，上部和下部的溫度傳感器監(jiān)測相應位置溫度的波動。2. 在第 4 節(jié)中， “復雜應力路徑加載性能 ”其實并不是該儀器的特色， 作為凍土試樣， 儀器的溫度控制能力特別重要，也是研發(fā)重點。建議作者單獨寫一節(jié)關于在試驗過程中溫度傳感器測試情況，包括內腔、外腔以及試樣溫度的變化情況。注意，溫度傳感器的測試值不等于試樣溫度值。答：（ 1）根據審稿老師提出的“單獨寫一節(jié)在實驗過程中溫度傳感器的測試情況” ，筆者擴充了 1.4 節(jié)用于具體描寫儀器降溫系統(tǒng)，并在 4.1 節(jié)驗證了儀器的降溫能力。（ 2）關于審稿老師提出的“溫度傳感器的測試值不等于試樣的溫度值” ,作者認為，一般情況下是不

13、一樣的。但是，我們研究發(fā)現(xiàn)，當試樣浸于一定溫度的液體中足夠長時間后，試樣內部溫度將與液體溫度達到一致。為此，在凍土試驗中，為了不破壞試樣的整體性，我們常常通過測定試樣溫度與液體溫度達到一致時所需要的最短時間，然后估算我們試驗時所需的恒溫時間。本文就是通過以上方式確定試樣溫度的。3. 建議增加一個不同溫度下試樣響應的對比。答：試驗二與試驗一的設定溫度不同，試驗一是在-15情況下，試驗二是在-10條件下，關于試樣在不同溫度下具體力學性質的變化規(guī)律會在隨后的文章中體現(xiàn)，本文只是對儀器工作能力的一個初步驗證。4. 圖 2 中圖例錯誤。答：謝謝審稿老師的指正，筆者已經進行了修改。凍土空心圓柱儀的研發(fā)與應

14、用郭妍1,2 ，王大雁1，馬巍 1，穆彥虎1(1.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000 ；2.中國科學院大學，北京100049)摘要：為了研究復雜應力路徑條件下凍土的力學特性，中國科學院凍土工程國家重點實驗室與美國GCTS公司合作研發(fā)了新型凍土力學試驗設備凍土空心圓柱儀（FHCA-300）。該設備具有加載方式靈活多樣、變載能力強、工作性能穩(wěn)定、傳感器靈敏度高、溫度可調可控、數(shù)據采集速度快等優(yōu)點，通過獨立施加內圍壓、外圍壓、軸向荷載和扭矩來改變三個主應力的大小和方向，從而更為真實的模擬凍土在地震荷載、交通荷載等多向應力和主應力軸旋轉等復雜應力路徑下的應力

15、- 應變行為。 本文詳細介紹了該儀器各部分的組成（主要包括壓力室及伺服主機系統(tǒng)、液壓伺服加載系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)）、傳感器和動荷載頻率的選取過程以及目前可實現(xiàn)的具體試驗類型。最后利用該設備進行了控溫能力以及復雜應力路徑實現(xiàn)能力的驗證，初步試驗結果表明儀器具備良好的工作性能。關鍵詞： 復雜應力路徑；動荷載；力學性質；溫度；凍土空心圓柱儀中圖分類號：文獻標識碼：文章編號Development and application of Frozen Hollow Cylinder ApparatusGUO Yan1, 2 , WANG Dayan 1, MA Wei 1, MU Yanhu

16、 1(1. State Key Laboratory of Frozen Soils Engineering, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou Gansu 730000, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)Abstract: In order to research mechanical prope

17、rties of frozen soil under complex stress path, a novel frozen soil testing system Frozen Hollow Cylinder Apparatus-300(FHCA-300) was developed by State Key Laboratory of Frozen Soils Engineering and the GCTS company in America. This apparatus is characterized by flexible loading ability, variable l

18、oad capacity, stable work performance, high sensitivity sensors, high precision temperature controlling system and the high frequency signal data acquisition system. By independently controlling inner, outer confine pressure, axial load and torque, the device is able to change the magnitude and dire

19、ction of three principal stresses to accurately simulate the stress-strain behavior of frozen soil under complex stress path. These stress paths include the principal stress rotation and multriaxial stress induced by traffic or seismic. This paper will introduce the components of FHCA-300, the selec

20、tion process of sensors, the frequency of dynamic load and the concrete experimental types as well. Finally, a temperature control capability and complex stress paths achieving ability were tested to verify the reliability of instrument. Preliminary test results show that this apparatus has a good p

21、erformance.Key words: complex stress path; dynamic load; mechanical properties; temperature control; FHCA-300收稿日期 ：2015-10-13基金項目 ：凍土工程國家重點實驗室基金（SKLFSE-2T-17 ）；國家自然科學基金項目（41401077）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973 項目 )(2012CB026106) 。作者簡介 ：郭妍 (1991)，女，研究生，碩士；王大雁（ 1971），女，研究員，博士生導師。通訊作者： 王大雁E-mail: dywang土體的力學性質受到應力

22、路徑的影響，理想狀態(tài)下只有室內試驗條件完全模擬真實加載過程，才能反應土體的真實響應，在動力條件下尤其如此 1。對于寒區(qū)工程而言，構建筑物在幾種熟知的動力荷載，如交通和地震荷載的作用下，凍土地基土體所受應力路徑復雜，不僅體現(xiàn)在主應力軸在時間上和空間上連續(xù)旋轉，而且主應力差的大小也發(fā)生連續(xù)變化，這對于凍土的變形和強度具有顯著的影響2 。隨著中國經濟的深入發(fā)展，寒區(qū)的交通運輸工程建設發(fā)展迅速，規(guī)模日益擴大，等級日益提高。青藏鐵路、青藏公路、哈大高鐵、哈齊高鐵等一系列重大凍土線性工程的設計與運行均涉及凍土在交通荷載作用下的動力特性研究。而作為我國凍土主要的分布地區(qū)，青藏高原又是地球表面構造活動最頻繁的

23、大陸高原，自2003年以來， 78級以上的大地震已經發(fā)生多次，特別是昆侖山口西、玉樹等地的大地震對地面建筑物及其地基基礎造成了不同程度的破壞，對人民的生命財產安全造成了巨大的損失3 。地震荷載下凍土的動力特性響應是寒區(qū)建設工程抗震設計的重要依據之一，因此開展凍土在動力荷載及復雜應力路徑條件下力學性質研究具有重要的意義。凍土力學是一門試驗科學，試驗手段與試驗儀器的研發(fā)是凍土力學向前發(fā)展的基石 4 。目前，受儀器設備及試驗手段限制，現(xiàn)有的凍土強度理論及本構模型的建立大都是通過擬合單軸、三軸壓縮和等比加載等簡單應力狀態(tài)及應力路徑下的試驗結果得到的5-8 。而考慮實際工程中多向應力及主應力軸旋轉效應下

24、的凍土力學特性研究仍屬空白。傳統(tǒng)的凍土動力試驗中，動三軸儀只能施加動態(tài)的偏應力，在試樣45°斜面上模擬地震水平向剪切作用9-11 ，交通荷載和地震荷載均屬于非比例循環(huán)加載，總的偏剪應力同時受到正應力偏差(豎向和水平正應力之差 )和剪應力兩者交替變化的影響12-13 。顯然， 上述動三軸儀所能開展的簡單應力路徑的動力試驗并不能真實地模擬交通和地震荷載下土體中復雜的應力變化過程14 。因此， 為了較為準確獲取凍土在復雜應力路徑條件下下的力學性質和變形行為，迫切需要研發(fā)一套新型的凍土力學實驗設備，該設備能夠實現(xiàn)多向應力和主應力軸旋轉等各種復雜應力路徑，獲得相應的力學和變形參數(shù)，為建立更為準

25、確可靠的凍土本構模型提供試驗依據?？招膱A柱儀是目前可以實現(xiàn)包括主應力軸旋轉在內的多種復雜應力條件的最先進的土工試驗設備1。但是由于國內外現(xiàn)有的空心圓柱儀都是針對未凍土的研究，沒有考慮對試樣的降溫和控溫要求，并且加載范圍小、 傳感器量程不足，無法開展土體在負溫條件下的力學性質研究。凍土是由土顆粒、冰、水和空氣組成的四相混合體，結構具有明顯的各向異性特征，且其強度和變形隨著溫度的變化會發(fā)生明顯的改變。為此，中國科學院凍土工程國家重點實驗室與美國GCTS公司聯(lián)合研制了用于研究凍土在復雜應力路徑條件下力學特性的試驗系統(tǒng)：凍土空心圓柱儀(FHCA-300) 。本文主要介紹了FHCA-300 的組成，設備

26、參數(shù)的選取以及目前可操作的試驗類型，并對該儀器的工作能力及可靠性進行了初步驗證。從目前結果來看，該試驗系統(tǒng)具備良好且穩(wěn)定的工作性能，能夠開展復雜應力狀態(tài)和應力路徑條件下凍土的力學性能試驗。1FHCA-300 試驗系統(tǒng)的組成及主要性能圖 1 是凍土空心圓柱儀FHCA-300 主要結構以及各部分之間的相互聯(lián)系的示意圖。從圖中可以看出，由壓力室及伺服主機系統(tǒng)、液壓伺服加載系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)4 部分組成。FHCA-300圖 1 凍土空心圓柱儀結構示意圖1.1壓力室及伺服主機系統(tǒng)壓力室及伺服主機系統(tǒng)是凍土空心圓柱儀的核心部分， 其設計目的是為加載系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)的正常工作提供基礎。壓力

27、室頂部有軸力 /扭矩載荷傳感器和位移傳感器，負責軸力、扭矩、軸向應變和扭剪應變的測量。傳感器的上端是軸力扭矩雙驅動裝置，負責軸力和扭矩的施加。壓力室內部設有降溫設施、上壓頭、下壓頭、溫度傳感器和土樣。試驗中要保證壓頭與土樣剛性連接以確保加載穩(wěn)定。1.2液壓伺服加載系統(tǒng)凍土和未凍土相比，具有負溫和強度較高的特點。如果采用氣動伺服控制或者水壓伺服控制會存在控制精度低或加載能力不足，以及水在負溫下發(fā)生凍結無法提供圍壓等一系列問題。液壓加載方式相對比較平穩(wěn)，反應快，易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁換向，而且系統(tǒng)地過載保護功能更加容易實現(xiàn) 15 。因此 FHCA-300 采取液壓伺服控制的加載系統(tǒng)。整個液壓

28、伺服加載系統(tǒng)的動力由液壓泵提供，然后通過5 個伺服閥單獨控制的作動器（包括軸力、扭矩、內圍壓、外圍壓和反壓作動器）將載荷傳到土樣表面，使土樣達到設定的應力狀態(tài)和應力路徑。FHCA-300 配備的液壓伺服加載系統(tǒng)與試驗系統(tǒng)相連接，可通過數(shù)字控制系統(tǒng)進行控制和反饋。1.3數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)由GCTS 專用的數(shù)字控制器和一體化的計算機輔助試驗系統(tǒng)（CATS 軟件）組成。FHCA-300 的控制器類型是SCON-2000 ，內置函數(shù)編輯器、數(shù)據采集、數(shù)字信號的輸出/輸入。最大特點在于其通用的信號調節(jié)模板可以連接任何形式的傳感器。CATS 軟件中除了靜力加載、動力加載、飽和、固結等集成模塊外，還包

29、含一個通用試驗模塊。通用試驗模塊允許試驗人員建立預想的測試程序，包括飽和、固結、三軸、直剪、共振柱/扭剪、真三軸、循環(huán)加載等單個試驗以及多個連續(xù)的試驗程序。1.4溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)是凍土空心圓柱儀能進行凍土試驗的關鍵，其目的是確保土樣內部溫度的均勻性。整個溫度控制系統(tǒng)由三部分構成：冷浴循環(huán)系統(tǒng)、溫度監(jiān)測與反饋系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)。冷浴循環(huán)部分由兩臺冷浴和均勻分布在壓力室內壁的雙循環(huán)紫銅管以及空心圓柱土樣內腔的倒 U 型紫銅管組成。分別用于控制空心圓柱土樣外腔和內腔傳熱承壓介質的溫度，并最終達到控制土樣溫度的目的。冷浴中使用的冷媒是工業(yè)酒精，降溫能力為 -40 °C +20°

30、C，溫度控制精度為 ±0.1 °C。為了減少了單向循環(huán)所造成壓力室內傳熱介質的溫度梯度，我們進行了如下設計：將其中一根雙螺旋紫銅管內的冷液順時針循環(huán)，另一根逆時針循環(huán)，具體如圖2所示。溫度監(jiān)測與反饋系統(tǒng)由四個溫度傳感器和相應的溫度控制、監(jiān)測和顯示元件組成。其中一個溫度探頭位于空心圓柱土樣內腔的中心處， 用來監(jiān)測和反饋測量的土樣內腔承壓傳熱介質的溫度； 另外三個溫度探頭沿試樣外壁布置，分別位于上中下三個位置，其中位于土樣中部附近的溫度探頭用來監(jiān)測并反饋土樣外腔承壓傳熱介質的溫度。與此同時，冷浴將內外腔溫度探頭反饋的溫度數(shù)值與設置的目標溫度進行對比，自動調節(jié)冷浴的降溫速率，當溫

31、度探頭反饋的溫度接近預設的目標溫度值時，冷浴通過調節(jié)冷浴內部液體的溫度，使得被降溫的硅油的溫度始終保持在設定的目標溫度值并保持不變。其他兩個位于試樣頂端附近和底端附近的溫度探頭用來實時監(jiān)測試樣外腔硅油的溫度。保溫部分即在壓力室外表面嚴密包裹的泡沫保溫材料，以及底座下部配置的隔熱底板組成，用來減少壓力室與外部環(huán)境的熱交換。值得指出的是該溫度控制系統(tǒng)同時與內、外圍壓儲油罐相連，可在試驗前對儲油罐中的硅油進行預冷，減少圍壓加載試驗中因為溫度過高的硅油進入壓力室中造成試樣環(huán)境溫度升高，導致試樣力學性質發(fā)生變化的影響。圖2 溫度控制原理示意圖2 FHCA-300 的技術參數(shù)2.1傳感器種類和量程、精度測

32、量對象決定著傳感器型號的選擇 16 。 FHCA-300 的傳感器類型包括荷載傳感器、位移傳感器和溫度傳感器三大類。為了使儀器具有廣泛的適用性，該設備選取了不同類型和量程的荷載、位移傳感器和溫度傳感器。荷載傳感器包括三個不同量程軸力和扭矩傳感器，用來測量試驗過程中作動器施加的軸力和扭矩?？紤]到凍土的強度等級較高，因此選取的內、外圍壓傳感器的量程都較大。壓力傳感器與位移傳感器均安裝在壓力室的外部，使其不受壓力室內部溫度變化的影響。壓力室中的溫度傳感器采用Pt-100 傳感器，精度為±0.1 °C，用于溫度的量測和反饋。FHCA-300 配置的主要傳感器的技術指標如表1 所示。

33、表 1 FHCA-300主要傳感器的性能指標類型名稱量程精度內外壓力室溫度傳感器40 °C 80 °C±0.1 C°壓力傳感器軸向壓力傳感器100 kN 100 kN全量程 0.1 %扭矩傳感器1000 N·m 1000 N·m全量程 0.1 %內外圍壓、反壓壓力傳感器2 MPa22 MPa全量程 0.25 %孔壓壓力傳感器0.1MPa 2.1MPa全量程 0.25 %軸向位移傳感器50.8 mm 50.8 mm0.001 mm位移傳感器扭轉位移傳感器114.3 mm 114.3 mm0.001 mm內、外圍壓， 反壓位移傳感器127

34、.0 mm 127.0 mm全量程 0.1%2.2動荷載的加載頻率FHCA-300的一個重要用途是研究交通、地震荷載下凍土試樣的變形和力學性質，因此選擇合適的加載頻率尤為關鍵?？紤]到研究內容的廣泛性，同時兼顧到儀器各方面的配置及能力的適應性，最終，F(xiàn)HCA-300選取加載頻率為 0 20 Hz ，軸向單調加載時激振頻率可以達到最高值20 Hz ，扭剪單調加載頻率為10 Hz ，內、外圍壓加載有效頻率為 2 Hz，軸向、扭剪耦合動態(tài)加載頻率為10 Hz ，軸向、徑向雙向同步耦合動態(tài)加載頻率為2 Hz，軸向、扭轉和圍壓耦合動態(tài)加載頻率為2 Hz，可以滿足模擬地震、交通荷載頻率的要求。經過測試，發(fā)現(xiàn)

35、儀器在單獨和耦合動態(tài)加載時的工作性能穩(wěn)定，同時計算機顯示的荷載或變形的曲線不會出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象，可以實時反映加載的真實情況。3 可實現(xiàn)空心試樣的試驗類型在進行空心圓柱試樣尺寸選擇時， 對國內外諸多具有代表性的空心圓柱試樣尺寸進行了調查研究。和 Vaid 17 指出合適的試樣尺寸將會在很大程度上減緩應力分布的不均勻性和加載方式不同造成端部效應，試樣的壁厚、內外徑之比、高徑比滿足下列條件時試樣內的應力狀態(tài)比較均勻 。其中，Sayao并且認為1）壁厚 ： = rori =20 26 mmri2）內外半徑比： 0.650.823）高度 ： 1.8 H 2.22roSaada和 Townsend 18 建

36、議空心圓柱試樣滿足以下準則時能夠使試樣內部的應力應變分布更加均勻：1）高度： H5.44 rori2）內外半徑比值： n=ri0.65ro其中 ： ri 、 ro 分別代表空心圓柱試樣的內外半徑， H代表試樣的高度。 關于未凍土在試樣尺寸方面的研究已經逐漸趨于成熟 19 ，因此在參考以上建議的尺寸標準外，綜合考慮試驗的可操作性以及目前相關設備的使用經驗1314 ，最終選取FHCA-300 空心圓柱試樣尺寸為D o×Di×H=100 mm×60 mm ×200 mm 。針對空心試樣，凍土空心圓柱儀可以在不同溫度下實現(xiàn)的試驗類型主要有：（1）三個主應力大小可

37、以獨立控制的三軸靜、動試驗；（2）靜力和動力純扭剪試驗；（ 3）主應力軸旋轉的靜力和動力試驗（可以同時施加軸力、扭矩、內外圍壓，在靜力試驗時控制加載速率；動力試驗時控制軸力、扭矩、圍壓的幅值和頻率）。4 FHCA-300 控溫能力以及復雜應力路徑實現(xiàn)能力的初步驗證FHCA-300 主要是針對凍土力學性質研究而設計開發(fā)的試驗儀器。主要目的是為了開展主應力軸旋轉等復雜應力路徑條件下的凍土力學性質研究。因此對儀器分別進行了控溫能力測試和復雜應力路徑的實現(xiàn)能力測試。關于壓力和加載能力驗證和常規(guī)空心圓柱儀普通的儀器一樣，因此在此便不再贅述。4.1 控溫能力驗證20 。為了驗證凍土溫度的改變會對凍土的內部

38、結構產生巨大的影響，從而導致凍土的力學性質產生明顯的變化空心圓柱儀的控溫能力，設計了目標溫度為-10 °C， -15 °C 和 -20 °C 的降溫試驗。在試驗之前，首先測試了試樣內部溫度與傳熱介質溫度達到一致所需的時間，主要的操作是將一個溫度探頭埋入試樣的內部，另一個溫度探頭放置在傳熱介質中后開始降溫，最終兩個溫度探頭采集的數(shù)據結果表明：當降溫達到穩(wěn)定后恒溫時間超過8 小時以上，試樣內部的溫度與傳熱介質的溫度達到一致。但是即使土樣內部的溫度達到均勻，但是如果凍結速率較慢時，土樣在凍結的過程中也會出現(xiàn)凍脹和水分遷移的現(xiàn)象21 ，因此，為了盡量消除土樣中的水分遷移和

39、不均勻凍脹，首先將空心圓柱土樣快速凍結至-30 °C，然后再分別升溫至目標溫度-10 °C，-15 °C 和 -20 °C，恒溫 15 h 左右后取溫度探頭測量的溫度值進行分析。圖3、 4、 5 分別空心圓柱試樣在-10 °C， -15 °C 以及 -20 °C 的溫度測試結果。圖4和圖 5表明溫度在 7 小時后達到穩(wěn)定，并且在24 h 之后溫度的波動范圍小于 ±0.1 °C。溫度穩(wěn)定后，目標溫度為-10 °C 時空心圓柱土樣外壁上中下以及內部溫度探頭的溫度平均值分別為-9.62 °C

40、，-10.05 °C，-9.90 °C，-10.04 °C，目標溫度為 -15 °C 時溫度探頭的溫度平均值分別為-14.55 °C，-14.99 °C，-14.87 °C，-15.02 °C，目標溫度為 -20 °C 時溫度探頭的溫度平均值分別為 -19.56 °C， -20.01 °C， -19.85 °C， -19.98 °C，可以看出，設置三個目標溫度下四個溫度探頭測量的溫度波動范圍均小于 ±0.5 °C，由此證明該溫度控制系統(tǒng)降溫能力和

41、長時間的控溫能力較為良好。100)C(-10/度溫-20外腔上部溫度探頭外腔中部溫度探頭外腔下部溫度探頭內腔溫度探頭050010001500時間 /min-30圖 3 目標溫度 -10°C 時土樣不同位置溫度變化曲線30外腔上部溫度探頭外腔中部溫度探頭外腔下部溫度探頭15內腔溫度探頭)C°(/0度500100015002000250030000溫時間 / min-15-30圖 4 目標溫度 -15°C 時土樣不同位置溫度變化曲線)C°(302010外腔上部溫度探頭外腔中部溫度探頭外腔下部溫度探頭內腔溫度探頭/ 0度0溫-10-20-30500100015

42、0020002500時間 / min圖 5 目標溫度 -20°C 時土樣不同位置溫度變化曲線4.2復雜應力路徑的實現(xiàn)能力試驗通過空心圓柱試樣的不同加載試驗，對凍土空心圓柱儀復雜應力路徑的實現(xiàn)能力進行了測試，下面選取兩組具有代表性的試驗進行分析，試驗1：主應力軸靜態(tài)旋轉試驗；試驗2：主應力軸循環(huán)旋轉試驗。兩組試驗中采用的土樣均為青藏粉質黏土，試樣尺寸為內徑60 mm，外徑 100 mm ，高 200 mm ，試樣干密度為1.9 g/cm3，含水率為 15.8%，如圖 6（ a）圖所示。4.2.1主應力軸靜態(tài)旋轉試驗試驗過程中試樣的溫度設置為-15 °C，試驗過程采用應力控制，

43、且應力的加載速率為30 kPa/ min ，主應力軸旋轉的角度為 0.3 °/min ，試驗的過程同樣利用FHCA-300專用操作模塊改變 p、b、q （ p1 ( rz) ，3r( z) / 2(2/ 42122brr )z，z，q ( 13 )2其中 1、 2、232 ( r r)/ 4zarctanzz132z22223 分別為試樣的大、中、小主應力的大小；z 、r 、分別為軸向、徑向、環(huán)向主應力的大?。┻@四個應力參數(shù)來達到預先設定的應力路徑。試驗1設定的應力路徑具體如下：保持b=0和p=4500 kPa的條件下，在 =0°時使切應力q從 100 kPa增加到 151

44、0 kPa，保持 q=1510 kPa，同時使主應力軸旋轉至45°，最后保持 不變，增加切應力q直至試樣破壞。試樣最終發(fā)生破壞后出現(xiàn)明顯的剪切痕跡，如圖6（ b）所示。從圖 7可以看出，實際應力路徑圍繞設計的應力路徑雖然有略微的波動，但整體還是保持不變。因此通過試驗1證明凍土空心圓柱儀可以實現(xiàn)凍土主應力軸的靜態(tài)旋轉試驗。(a)試驗前的試樣（ b）試驗后的試樣圖 6 青藏粉質黏土空心圓柱試樣60實際應力路徑設計應力路徑40)°(20001000200030004000q / kPa圖 7 主應力軸靜態(tài)旋轉試驗應力路徑4.2.2主應力軸循環(huán)旋轉試驗為了考察儀器在高頻下對輸入波形

45、的反應能力，在 -10 °對空心圓柱土樣進行了軸力、扭矩與內外圍壓相位差為0°的耦合循環(huán)加載試驗。軸力、扭矩與內外圍壓的振動頻率采用的頻率為2 Hz，波形選擇正弦波， 軸力的振幅為4 kN ，扭轉角的振幅為5°，內外圍壓的振幅為2 MPa，所選的變載振幅均小于全量程的1/10。圖 8 和圖 9 給出了軸向力和軸向位移的振動曲線，圖10 和圖 11 為內外圍壓的振動曲線，圖12 和圖 13 為轉角和扭矩的振動曲線。從圖8-13可以看出，軸力、內外圍壓、轉角、扭矩實際的振動曲線與設計的曲線較為一致。因此，本文研制的儀器能夠實現(xiàn)凍土主應力軸的動態(tài)旋轉試驗。1612Nk/

46、W81234t / s圖 8 軸向力實際振動曲線0.2mm/z0.0-0.21234t / s圖 9 軸向位移實際振動曲線6aPk/P i41234t / s圖 10 內圍壓實際振動曲線6aPk/oP41234t / s圖 11 外圍壓實際振動曲線35)o(30/251234t / s圖 12 轉角實際振動曲線800600m?N/400TM20001234t / s圖 13 扭矩實際振動曲線5結論中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室與美國GCTS公司合作研發(fā)的凍土空心圓柱儀（ FHCA-300 ）具有四個獨立的加載參數(shù)（軸力、扭矩、內圍壓和外圍壓），試驗系統(tǒng)采用液壓伺服閉環(huán)

47、控制的加載方式，可以通過計算機輔助試驗系統(tǒng)配合數(shù)字控制器對儀器進行全自動控制，具備完善的量測系統(tǒng)與數(shù)據采集系統(tǒng)。該儀器能夠真實的模擬包括多向應力和主應力軸旋轉等復雜應力路徑的加載過程，為凍土在交通、地震等動力荷載作用下的力學行為的研究提供了更為先進的技術支持，是目前開展復雜應力路徑條件下凍土的力學特性和各向異性研究的較為理想的試驗儀器。致謝： 本項儀器的研發(fā)過程得到吳青柏研究員、常小曉高級工程師、王貴榮高級工程師、鄧友生高級工程師、趙淑萍研究員、楊曙光工程師以及王永濤博士、關輝博士的大力幫助，謹此表示衷心的感謝。參考文獻1黃博 ,丁浩 ,陳云敏 ,等.GDS 空心圓柱儀動力試驗能力探討J. 巖土力學 ,2010,31(1):314-320.2 ISHIHARAK. soil behavior in earthquake geotechnicsM.New York: Oxford University Press Inc., 19963崔穎輝 ,劉建坤 ,呂鵬 .凍土動荷載直剪儀的研制J.巖土力學 ,2013,34(增刊 2):486-490.4 張世銀 ,汪仁和 .多功能凍土三軸試驗機的研制與應用J. 試驗技術與